大学物理 课程教案
授课时间 第 周 星期 第 节 课次
授课形式 理论课 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□
学时
安排
授课题目（教学章、节或主题）：
§ 狭义相对论基本原理 洛伦兹变换
教学目标与要求：
1. 了解相对论的历史背景；
2. 理解相对时空观和绝对时空观之间的不同，以及洛仑兹变换与伽利略变换的关系；
3. 理解狭义相对论的两个基本原理；
教学重点与难点
重点：相对论的时空观；
难点：洛伦兹变换。
教学设计：
多媒体结合板书
§ 狭义相对论的两个基本假设 洛伦兹变换
一．回顾伽利略变换和经典力学时空观
1. 经典力学时空观：绝对时空观。
2. 伽利略变换：
、 两惯性系，对应轴平行，且 、 轴重合， 时，两坐标原点重合，
惯性系相对 惯性系以速度 沿 轴运动，则 系中 ， 系中 ，
.伽利略坐标变换
， ， ， 。
.伽利略速度变换
， ， ，即
.伽利略加速度变换
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二．介绍狭义相对论产生的历史背景和实验基础
麦克斯韦电磁场理论中的电磁规律与实验结果之间的矛盾，迈克尔逊—莫雷实验结果表
明：不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的，与伽利略相对性原理矛盾。
§ 狭义相对论的两个基本假设 洛伦兹变换
一．狭义相对论的两个基本原理
1. 光速不变原理：在任何惯性系中，光在真空的速率都相等。
2. 爱因斯坦相对性原理：物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的惯
性系。
二．洛伦兹变换
1. 洛伦兹时空坐标变换：
， ， ，
2. 洛伦兹速度变换：
；
说明： . 在相对论中，时空密切联系在一起；
. 当 时，洛仑兹变换退回到伽利略变换；
. 若 ，则 等式将毫无意义，任何物体相对于另一物体的速度不能大于等
于光速，光速是一切实际物体的速度极限，光不能选作参考系；
例题讲解：教材 P340 例题 、，习题练习：教材 P353-354 习题 、
课程思政融入点：
1. 怀疑精神：狭义相对论的建立是在对经典物理学理论的怀疑和挑战中产生的。在 19
世纪末，经典物理学面临着一些无法解释的实验现象，如迈克耳孙-莫雷实验未能观测
到地球相对于以太的运动。这些实验现象促使科学家们开始怀疑经典物理学的绝对时空
观，并寻求新的理论解释。爱因斯坦正是在这一背景下，通过对光速不变原理的深入研
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究和思考，提出了狭义相对论，从而解决了这些经典物理学无法解释的问题。这一过程
充分体现了怀疑精神在科学发现中的重要性。
2. 创新精神：狭义相对论的创立不仅是对经典物理学理论的挑战，更是对科学创新精神
的彰显。爱因斯坦在创立狭义相对论的过程中，展现出了非凡的创新能力和想象力。他
通过引入全新的时空观念和运动观念，彻底改变了人们对物理世界的认知。这种创新精
神不仅推动了物理学的发展，也为其他科学领域的发展提供了重要的启示和借鉴。
3. 实证精神：狭义相对论不仅仅是一个理论构想，更是一个经过严格实验验证的科学理
论。在狭义相对论提出后，科学家们通过一系列的实验和观测，如穆斯堡尔效应实验、
粒子加速器实验等，验证了狭义相对论的正确性。这些实验和观测不仅证明了狭义相对
论的预言是准确的，也进一步巩固了狭义相对论在物理学中的地位。这一过程充分体现
了实证精神在科学发现中的重要性。
作业：
教学后记：
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授课形式 理论课 讨论课□ 实验课□ 习题课□ 其他□
学时
安排
授课题目（教学章、节或主题）：
§ 狭义相对论时空观
教学目标与要求：
1. 理解三个相对性效应；
2. 掌握三个相对性效应的分析；
3. 理解时序问题；
教学重点与难点
重点：三个相对性效应；
难点：时序问题的分析。
教学设计：
多媒体结合板书
§ 狭义相对论时空观
一．“同时”的相对性（介绍爱因斯坦的思想实验）
1. 同时性的相对性：在一惯性系中同时发生的两个事件，在另一惯性系中不一定同时发
生。这说明时间的量度是相对的，这一结果直接来源于光速不变原理。
2. 同时性的相对性：一个惯性系（ ）中不同地点同时发生的两事件，在另一惯性系（ ）中观
察时则不是同时发生的，而是在 运动后方的事件先发生。
注意： .在 系中不同地点同时发生的两事件，在 系中这两个事件不是同时发生的。
. 在 系中相同地点同时发生的两事件，在 系中这两个事件是同时发生的。
. 沿垂直于两惯性系相对运动方向发生的两事件的同时性不具有相对性。
二．时间间隔测量的相对性 时间延缓（详细分析过程）
时间延缓： （运动使时钟变慢， “天上一天，地上一年”）
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讨论：
. 中同一地点发生的两事件时间间隔 ， 中测此二事件的时间间隔 ，有
；
. 固有时：一参考系中同一地点先后发生的两事件的时间间隔。固有时最短。
. 运动钟变慢，运动时间膨胀、时间延缓；
. 时间膨胀是一种相对效应；
. 低速下，
习题讲解：教材 P352 习题 、 ；教材 P353 习题
补充例题：带正电的 介子是一种不稳定的粒子。当它静止时，平均寿命为 ，
过后即衰变为一个 介子和一个中微子。 介子在实验室测的它的速率为 ，它
通过的平均距离为 。这些测量结果是否一致？
解：设 ，据已知条件有： ，（对
吗？）
由于 介子运动的速度接近光速，所以其时间有延缓效应，
由 ，则
三．长度测量的相对性 长度收缩（详细分析过程）
1. 棒长：两端点位置之间的距离；（同一时刻测的）
长度测量和同时性概念密切相关；
同时性是相对的 长度测量也是相对的（和参考系有关）
2. 长度收缩： （运动方向物体的长度变短）
讨论：
. 原长：棒静止时测得的长度，动长 静长；
. 观察运动的物体其长度要收缩，收缩只出现在运动方向；
. 长度收缩是相对的， 系看 系中的物体收缩，反之， 系看 系中的物体也收
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缩；
. 低速空间相对论效应可忽略，即当 时， 。
习题讲解：教材 353-354 习题 、
补充例题：两个惯性系中的观察者 和 以 ( 表示真空中光速)的相对速度互相接
近。如果 测得两者的初始距离是 ，则 测得两者经过多长时间后相遇？
解：设 静止， 以 向 运，则有 测得：
而 认为 以 向他靠近，则 测得：
故
四. 洛伦兹变换的验证
1. 三个相对性效应的验证
2. 时序问题：（重点分析）
， ，
则 ，定义速度
. 有因果关系的两个事件，则 为信号传播速度，总小于光速 ，则由
有 ，即时序不会颠倒；
. 两个互不相关的事件，此 与 的乘积可大于 ，则在不同的惯性系中发生
的时序可能颠倒。
课程思政融入点：
1. 相对性原理与多元视角：相对论时空观强调时空的相对性，即时空的度量与观察者的
运动状态有关。这一原理可以引导学生认识到，在评价事物或人时，应考虑到评价标准
的相对性。不同的观察者或评价者可能会因为自身的立场、经验、文化背景等因素，对
同一事物或人产生不同的看法和评价。引导学生具备多元视角，学会换位思考，尊重他
人的观点和感受，以更加全面、客观地看待问题。
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2. 时空联系观与社会关系：相对论时空观将时间和空间视为一个统一的整体，并指出物
质的运动会影响时空的度量。这种联系观可以引申到社会关系中，即任何个体都处于一
定的社会关系中，不可能孤立存在。个体的行为、思想、情感等都会受到社会环境的影
响，同时也会对社会环境产生影响。引导学生认识到个人与社会的紧密联系、自己的社
会责任和义务，积极投身社会实践，为社会的进步和发展做出贡献。
3. 运动与变化的发展观：相对论时空观中的“尺缩效应”和“时间膨胀”等效应表明，物质
的运动会导致时空度量的变化。这一观点可以启示学生认识到，世界是不断变化和发展
的，任何事物都处于运动状态之中。引导学生应树立运动与变化的发展观，勇于接受新
事物、新思想，不断学习和进步，以适应不断变化的社会环境。
作业：
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授课题目（教学章、节或主题）：
§ 相对论动力学基础 能量和动量的关系
教学目标与要求：
1. 理解狭义相对论动力学关系；
2. 理解质速关系、质能方程；
教学重点与难点
重点：质速关系、质能关系；
难点：质速关系、质能关系的分析与推导。
教学设计：
多媒体结合板书
§ 相对论动力学基础 能量和动量的关系
一．相对论质量
1．相对论质量：以粒子的分裂为例，讨论质量 和速度 的关系。（详细推演）
（ ：粒子静止状态的质量； ：粒子运动时的质量）
2．讨论：
．质量 和速度 有关（不是参考系的相对速度 ），质量和参考系的选择有关；
． ，速度越大，惯性就越大，就越不容易改变原来的运动状态；
．当 时，质量 就为虚数，无意义，所以光速 是一切物体速度的极限；
．对于光子，速率为 ，而质量 不可能无限大，所以光子的静止质量 ；
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二．相对论的力
1．相对论的力：力是动量的变化率：
2．讨论：
．
力的作用：改变速率，改变质量；
力的方向：和 、 方向均有关，（ 和 的方向不再一致）；
．力的持续作用：
牛顿定律：力持续作用可使 ；
相对论： 加速困难，当 时， ，有限的力，无法再继续
加速，所以光速 是速度的极限；
． 时，回到 。
三．相对论能量
1．相对论的动能： （详细推演）
2．相对论的总能：
3．讨论：相对论中：质量和能量不可分割，即物质和运动不可分割，质能关系统一了
能量、质量守恒，如一系统能量守恒：
四．能量、动量关系
习题讲解：教材 P353 习题 、、；教材 P354 习题
课程思政融入点：
1. 辩证思维：相对论质速关系体现了辩证思维的核心要义。在相对论中，物体的质量不
再是一个固定不变的属性，而是随着速度的增加而增加。这一发现颠覆了牛顿力学中的
绝对时空观和静质量概念，展示了物质世界运动的相对性和复杂性。辩证思维要求人们
在认识事物时，要看到事物的两面性、矛盾性和发展性，不能片面地看待问题。在教学
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过程中，培养学生的辩证思维能力，有助于他们更加全面、深入地认识和理解世界。
2. 责任与担当意识：质能关系中的能量具有巨大的潜力，可以转化为各种形式的能量，
为人类社会的发展提供动力。同时，这种能量如果得不到妥善利用，也可能带来灾难性
的后果。引导学生要有责任与担当意识，让他们认识到自己作为社会的一员，有责任和
义务去合理利用和保护自然资源，为社会的可持续发展做出贡献。
3. 正确的人生观与价值观：质能关系中的能量可以转化为各种形式的能量，包括热能、
电能、光能等，这些能量在自然界中发挥着重要的作用。同样地，在人生中，每个人都
有自己的能量和潜力，可以通过不断学习和努力，将自己的能量转化为对社会有用的价
值。引导学生树立正确的人生观和价值观，认识到自己的价值和责任，积极投身社会实
践，为实现个人价值和社会价值做出贡献。
作业：
教学后记：
